Pyroelektricitet - Opdagelse, fysisk grundlag og applikationer
Opdagelsernes historie
Legenden siger, at de første registreringer af pyroelektricitet blev lavet af den antikke græske filosof og botaniker Theophrastus i 314 f.Kr. Ifølge disse optegnelser bemærkede Theophrastus engang, at krystaller af mineralet turmalin, når de blev opvarmet, begyndte at tiltrække stykker af aske og halm. Meget senere, i 1707, blev fænomenet pyroelektricitet genopdaget af den tyske gravør Johann Schmidt.
Der er en anden version, ifølge hvilken opdagelsen af pyroelektricitet tilskrives den berømte antikke græske filosof og rejsende Thales of Miletus, som ifølge denne version gjorde opdagelsen i begyndelsen af det 6. århundrede f.Kr. N. E. På rejse til østlige lande lavede Thales noter om mineraler og astronomi.
Ved at undersøge gnidet ravs evne til at tiltrække strå og nedad, var han i stand til videnskabeligt at fortolke fænomenet elektrificering ved friktion. Platon ville senere beskrive denne historie i Timaeus-dialogen.Efter Platon, allerede i det 10. århundrede, beskrev den persiske filosof Al-Biruni i sit værk "Mineralogi" lignende egenskaber ved granatkrystaller.
Forbindelsen mellem krystallers pyroelektricitet og andre lignende elektriske fænomener ville blive bevist og udviklet i 1757, da Franz Epinus og Johann Wilke begyndte at studere polariseringen af visse materialer, mens de gned mod hinanden.
Efter 127 år vil den tyske fysiker August Kundt vise et levende eksperiment, hvor han vil opvarme en turmalinkrystal og hælde den gennem en sigte med en blanding af rødt bly og svovlpulver. Svovlet vil være positivt ladet og det røde bly negativt ladet, hvilket resulterer i, at det rød-orange røde bly farver den ene side af turmalinkrystallen og den anden side dækket af en lys gul-grå. August Kund afkølede derefter turmalinen, krystallens "polaritet" ændrede sig, og farverne skiftede plads. Publikum var henrykte.
Essensen af fænomenet er, at når temperaturen på turmalinkrystallen kun ændres med 1 grad, opstår der et elektrisk felt på omkring 400 volt pr. centimeter i krystallen. Bemærk, at turmalin, ligesom alt pyroelektrisk, er begge dele piezoelektrisk (i øvrigt er det ikke al piezoelektrik, der er pyroelektrisk).
Fysiske fundamenter
Fysisk er fænomenet pyroelektricitet defineret som udseendet af et elektrisk felt i krystaller på grund af en ændring i deres temperatur. Ændringen i temperatur kan være forårsaget af direkte opvarmning, friktion eller stråling. Disse krystaller omfatter dielektriske stoffer med spontan (spontan) polarisering i fravær af ydre påvirkninger.
Spontan polarisering bemærkes normalt ikke, fordi det elektriske felt, det skaber, opvejes af det elektriske felt af frie ladninger, der påføres krystallen af den omgivende luft og af hovedparten af krystallen. Når temperaturen af krystallen ændres, ændres størrelsen af dens spontane polarisering også, hvilket fører til fremkomsten af et elektrisk felt, som observeres før kompensation med frie ladninger sker.
En ændring i den spontane polarisering af pyroelektriske stoffer kan initieres ikke kun af en ændring i deres temperatur, men også af mekanisk deformation. Derfor er alt pyroelektrik også piezoelektrisk, men ikke alt piezoelektrisk er pyroelektrisk.Spontan polarisering, det vil sige misforholdet mellem tyngdepunkterne for de negative og positive ladninger inde i krystallen, forklares af krystallens lave naturlige symmetri.
Anvendelser af pyroelektricitet
I dag bruges pyroelektrik som føleapparater til forskellige formål, som en del af strålingsmodtagere og detektorer, termometre mv. Alle disse enheder udnytter en nøgleegenskab ved pyroelektrik - enhver form for stråling, der virker på prøven, forårsager en ændring i prøvens temperatur og en tilsvarende ændring i dens polarisering. Hvis overfladen af prøven i dette tilfælde er dækket med ledende elektroder, og disse elektroder er forbundet med ledninger til målekredsløbet, vil en elektrisk strøm strømme gennem dette kredsløb.
Og hvis der er en strøm af nogen form for stråling ved indgangen til en pyroelektrisk konverter, som forårsager fluktuationer i temperaturen af det pyroelektriske materiale (periodicitet opnås f.eks. ved kunstig modulering af strålingsintensiteten), så er en elektrisk strøm opnået ved udgangen, som også ændres med en bestemt frekvens .
Fordelene ved pyroelektriske strålingsdetektorer omfatter: et uendeligt bredt udvalg af frekvenser af detekteret stråling, høj følsomhed, høj hastighed, termisk stabilitet. Brugen af pyroelektriske modtagere i det infrarøde område er særligt lovende.
De løser faktisk problemet med at detektere termiske energistrømme med lav effekt, måling af kraften og formen af korte laserimpulser og meget følsom berøringsfri og kontakttemperaturmåling (med mikrograders nøjagtighed).
I dag diskuteres muligheden for at bruge pyroelektrik til direkte at konvertere termisk energi til elektrisk energi seriøst: en vekselstrøm af strålingsenergi genererer en vekselstrøm i det eksterne kredsløb af et pyroelektrisk element. Og selvom effektiviteten af en sådan enhed er lavere end de eksisterende energikonverteringsmetoder, er denne konverteringsmetode stadig ganske acceptabel for nogle specielle applikationer.
Den allerede anvendte mulighed for at bruge den pyroelektriske effekt til at visualisere den rumlige fordeling af stråling i infrarøde billedsystemer (nattesyn osv.) er særligt lovende. Skabte pyroelektriske vidikoner — varmetransmitterende fjernsynsrør med et pyroelektrisk mål.
Billedet af en varm genstand projiceres på et mål og bygger på det den tilsvarende relief af ladningen, som aflæses af en scannende elektronstråle. Den elektriske spænding skabt af elektronstrålestrømmen styrer lysstyrken af strålen, der maler billedet af objektet på skærmen.